Электрогидравлический динамический (ЭГД) генератор представляет собой устройство для прямого преобразования энергии движущейся жидкости в электрическую энергию.
Схема простого ветрового ЭГД-генератора показана на рис. 1. Он состоит из механизма для получения зарядов коллоидных частиц, входного электрода, который служит также притягивающим, собирающего электрода, источника питания высокого напряжения и системы управления.
Рис. 1. Схема ветрового ЭГД-генератора:
1 — система зарядки коллоидных частиц; 2 — входной притягивающий электрод; 3 — собирающий электрод; 4 — источник питания высокого напряжения; 5—система регулирования с обратной связью; 6 — нагрузка.
К преимуществам ветровых ЭГД-генераторов можно отнести следующее:
1. Мощность развивается при всех скоростях ветра, на которые рассчитана конструкция генератора, и она увеличивается с ростом скорости ветра вплоть до максимальных ее значений.
2. Отсутствуют движущиеся части, за исключением возможных устройств ориентации по направлению ветра, необходимых для равномерной работы в условиях резких порывов ветра и для устранения динамических нагрузок. В связи с этим сводится к минимуму проблема усталостной прочности и по сравнению с обычными ветродвигателями упрощается техническое обслуживание и повышается его периодичность, что крайне важно при использовании в отдаленных зонах.
3. Благодаря нулевым силам инерции может быть использована энергия порывов ветра.
4. Вырабатываемая энергия постоянного тока высокого напряжения идеальна для передачи к удаленным потребителям, а прямого преобразования кинетической энергии в электрическую устраняется необходимость в подборе генератора.
5. Возможны различные формы поперечного сечения, целесообразно использовать установки больших размеров.
6. Полностью электронная система регулирования с обратной связью обеспечивает быструю стабилизацию системы при изменении скорости ветра и условий нагружения.
7. Возможно сооружение стационарной установки, вырабатывающей полную мощность при различных направлениях ветра; ее целесообразно использовать в прибрежных водах.
8. Может быть использован двумерный диффузор со некруглой формой поперечного сечения.
9. Проектная стоимость конструкции мала, что имеет важнейшее значение для централизованной выработки энергии.
В то же время ветровые ЭГД-генераторы имеют определенные недостатки, к которым, в частности, относятся:
1. Необходимость иметь источник коллоидных частиц (например, водяных капелек), причем при их использовании может вырабатываться озон, окись азота (NOx) или азотная кислота.
2. Возникновение коррозии (эрозии) в результате действия коллоидных частиц; ее можно свести к минимуму при использовании коллоидных частиц малых размеров.
3. Трудность обеспечения безопасности из-за наличия высокого Напряжения постоянного тока и отсутствие в установках движущихся частей, по которым можно заметить возникновение опасности.
Для широкого применения при централизованной выработке энергии явно необходимо радикальное упрощение конструкции ветродвигателей. Ветровой ЭГД-генератор является, вероятно простейшей ВЭУ, которая может быть использована для получения электрической энергии. Хотя в настоящее время невозможно детально оценить стоимость ветровых ЭГД-генераторов, но по грубым оценкам предполагается, что приемлемой стоимостью будет 95 долл/м2.
Увеличение размеров ветродвигателей обычного типа ограничено в настоящее время двумя проблемами: трудностями создании больших лопастей и тем, что частота вращения ветроколеса должна снижаться с увеличением его диаметра, с тем чтобы уменьшить окружную скорость конца лопасти до значений, соответствующих максимуму эффективности, а это создает трудности в разработке привода быстроходного электрического генератора. Для ветровых ЭГД-генераторов не существует в основном ограничений по размерам, поэтому здесь могут быть реализованы установки с размерами, которые наиболее экономичны в заданных условиях.
Для ЭГД-устройств успешно разработаны и достаточно полно исследованы законы подобия. Экспериментальные данные хорошо согласуются с имеющимися теориями и подтверждают осуществимость ЭГД-генераторов. Так как желательно получить большие мощности и плотности энергии, главное внимание в предшествующих исследованиях было сосредоточено в направлении больших скоростей и давлений в системах преобразования энергии. Для обеспечения электрической прочности минимальное снижение давления, которое могло быть достигнуто в одномерных ЭГД-генераторах при 0,1 МПа, составляет около 40 Па; при 3 МПа падение давления было в 900 раз больше, или 36 000 Па. Падение давления в 40 Па вполне приемлемо для использования в ЭГД-генераторах. Идеальный ветродвигатель использует 8/9 динамического давления ветрового потока; таким образом, 40 Па соответствуют скорости ветра примерно 8,6 м/с.
Теоретически при скорости, меньшей 8,6 м/с, характеристики ветрового ЭГД-генератора не определяются условиями обеспечения электрической прочности. При скорости, превышающей 8,6 м/с. они ограничиваются этим условием, так что падение давления в секциях преобразователя энергии должно оставаться постоянным при условии, что мощность увеличивается пропорционально скорости потока, проходящего через секцию. Можно скорость, равную-8,6 м/с, рассматривать как предел, при котором одномерный ветровой ЭГД-генератор достигает расчетной мощности. Однако ветровой ЭГД-генератор имеет преимущество перед обычной ВЭУ, так: как вырабатываемая им мощность может все же линейно увеличиваться со скоростью ветра, тогда как у обычной ВЭУ она сохраняется постоянной после достижения расчетных значений.
Отношение скорости потока, проходящего через ветровой ЭГД-генератор, к скорости ветра при ее значении, меньшем 8,6 м/с, может быть близким к значениям, соответствующим оптимальной характеристике, при варьировании током и, следовательно, плотностью заряда в секциях преобразования энергии. При скорости ветра, большей 8,6 м/с, отношение скоростей асимптотически сближается, если падение давления в секции преобразователя энергии оказывается небольшим в сравнении с динамическим давлением. Результаты анализа представлены на рис. 2.
Рис. 2. Характеристики ветрового ЭГД-генератора площадью F для различной подвижности и эффекта скольжения (м/с)/(В/м): 1—идеальный ветродвигатель; 2 — идеальный ветродвигатель.
При учете двумерного эффекта большее снижение давления может иметь место до снижения предельных характеристик: большее значение скорости может быть достигнуто до того момента, когда характеристики ветрового ЭГД-генератора отклоняются от идеальных.
Основные выводы по полученным результатам заключаются в том, что в направлении практического получения электрической энергии с помощью ветровых ЭГД-генераторов достигнуты значительные успехи. В частности, разработана, в основном, теория для определения характеристик ветровых ЭГД-генераторов с учетом влияния геометрических параметров, электрических условий и др. и выявлено влияние электрического поля, при котором оказывается возможным действительная оценка его характеристик.
Теоретические результаты использованы при разработке установки для испытания ветрового ЭГД-генератора, определения его характеристик и сравнения их с экспериментальными данными.
С этой целью разработана и построена небольшая аэродинамическая труба с экспериментальной аппаратурой, включая аэродинамические весы для измерения лобового сопротивления. Разработана и смонтирована в трубе установка для предварительных испытаний ветровых ЭГД-генераторов, которая позволила изменять различные компоненты для Получения данных при изменении в широких пределах геометрических параметров. При этом опытные данные получены на исходной и модифицированной экспериментальных установках.
В аэродинамической трубе проведено свыше 200 испытаний. Данные, полученные при испытаниях, по расчетам математической модели и другим теоретическим исследованиям, а также в результате обзора литературы достаточны для определения конкретных Целей исследований. К наиболее важным из них можно отнести:
разработку систем для получения в лабораторных условиях зарядов коллоидных частиц с соответствующей подвижностью при большой скорости образования;
экспериментальное определение характеристик ветровых ЭГД-генераторов на опытных установках с расчетным уровнем плотности заряда и передачей заряда коллоидным частицам до соответствующей их подвижности;
создание теории систем для, получения энергетически-эффективных заряженных коллоидных частиц и экспериментальное исследование таких систем.
Рис. 3. Ветродвигатель с управлением циркуляцией для создания ветровых ЭГД-генераторов
На основе имеющихся настоящее время экспериментальных данных представляется очевидным, что решающей для генераторов будет задача образования заряженных коллоидных частиц. Методику образования частиц и передачи им заряда требует получения частиц с относительно малой подвижностью, большой скоростью образования и малым удельным потреблением энергии.
